CN104865172A - 光源前置消光法碳烟测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

光源前置消光法碳烟测量系统和方法属内燃机技术领域，本发明的光源前置消光法碳烟测量系统中干涉滤光镜头和ND减光镜头顺序置于高速摄像机的镜头前端，反光镜按45°角置于ND减光镜头正前方，激光光源置于反光镜的水平入射角方向，透镜置于激光光源和反光镜之间，光散射盘固定于反光镜的垂直反射角方向的燃烧油束底部；本发明的光源前置消光法碳烟测量方法利用光源前置消光法碳烟测量系统的独特结构，能实现燃烧器内碳烟的测量，尤其能实现对传统柴油机、生物柴油、醇类燃料等清洁燃料，或低负荷、低温燃烧等轻碳烟工况的碳烟测量，可弥补光源后置消光法存在的缺陷。

Description

光源前置消光法碳烟测量系统和方法

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种利用光源前置的消光法，实现发动机不同负荷、不同种类燃油碳烟随时间变化的定量测量及生成规律研究。

背景技术

随尾气排放法规日益严格，单纯的机外净化技术难以满足需要，因此对缸内燃油喷雾和燃烧过程提出了更高的要求。激光测试和高速成像技术的应用使观察燃油在缸内的运动及燃烧变化情况成为可能，连续清晰的可视化结果可以使人们进一步了解高温高压环境中燃油从喷射蒸发、着火燃烧到排放物生成的全过程，对从根本上提高燃油雾化效果、改进燃烧模式、降低污染物排放具有十分重要的作用。

柴油机具有比汽油机更高的动力性和经济性，但因不均匀混合气燃烧产生碳烟的排放特性限制了其应用范围。虽然作为机外净化技术的微粒捕集器可以大幅减少碳烟排放，但人们更希望通过优化改进缸内流动、燃烧过程实现高效清洁燃烧，从根本上降低碳烟排放。缸内碳烟测试技术不仅可以对缸内燃烧过程中产生的碳烟进行精确的时间、空间解析，为柴油机设计优化提供参考依据，实现更低的排放，而且为深入理解碳烟生成和排放机理，建立更加精确的燃烧排放模型提供强有力的支持，具有重要的学术价值和应用前景。

早期缸内碳烟研究主要采用瞬态缸内采样技术，可以测得采样体积内碳烟的数量信息，具有良好的时间、空间分辨率，并可应用先进的测量设备对采样碳烟的粒子颗粒和体积分布进行准确的测量统计。但此方法受区域限制不能获得全场数据，且插入采样口会对燃烧过程产生干扰，从一定程度上影响碳烟结果的准确性。光学测量属于非接触式测量，对测试区域干扰较小，具有良好的时间、空间分辨率。近年来，随CCD、ICCD和高速摄像机等探测器件的应用，消光法、散射法、双色法和激光诱导白炽光法等缸内碳烟光测试技术逐渐发展、完善。

其中，消光法为：当激光束穿过碳烟粒子区域时，由于碳烟颗粒对光的散射和吸收作用使入射光强度降低，导致接收端探测到的能量有所减少。由于碳烟属于吸收能量很强的介质，对光线的吸收能力远远大于散射能力，因此可以用Lambert Beer理论描述穿越粒子区域的光强变化，可得出碳烟体积分数。

作为消光法的一种延伸技术，光源后置消光法是基于消光原理，在单点消光法基础上发展成的二维碳烟分布测量方法。该方法不仅可以实现碳烟的时间、空间二维分布测量，而且可以进行定性、定量的碳烟生成瞬态质量测量。光源后置消光法需要两个光学窗口，光源和摄像机必须水平布置在碳烟区域的两侧，限制了此方法在传统柴油机上的应用。此外激光光源经过碳烟区域一次后进入采集设备，对于重碳烟工况比较适用，而对于生物柴油、醇类燃料等清洁燃料，或低负荷、低温燃烧等轻碳烟工况，由于碳烟生成质量本身较小，对入射光吸收能力有限，进入采集设备的光强度和入射光差别较小，因此实验误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光源前置的消光法来实现定容燃烧器内燃料燃烧过程中碳烟测量的系统和方法。

本发明的光源前置消光法碳烟测量系统，由高速摄像机1、透镜2、激光光源3、光散射盘4、反光镜6、ND减光镜头7、干涉滤光镜头8组成，其中干涉滤光镜头8和ND减光镜头7顺序置于高速摄像机1的镜头前端，反光镜6按45⁰角置于ND减光镜头7正前方，激光光源3置于反光镜6的水平入射角方向，透镜2置于激光光源3和反光镜6之间，光散射盘4固定于反光镜6的垂直反射角方向的燃烧油束5底部。

所述的ND减光镜头7用于限制进入高速摄像机1的反射强度变化梯度，保证感光镜头不会受到强光照射而损坏。

所述的反光镜6直径小于2.5mm，可以作为点光源。

所述的光散射盘4固定于燃烧油束5底部，其作用在于将透过碳烟区域9的光线反射回碳烟区域9，再次穿过碳烟区域9后进入高速摄像机1。

所述的干涉滤光镜头8为具有滤除激光中578nm波长的光波、保留510nm波长的光波的单色光滤光镜头。

本发明的光源前置消光法碳烟测量方法，包括下列步骤：

1.将干涉滤光镜头8和ND减光镜头7顺序置于高速摄像机1的镜头前端，反光镜6按45⁰角置于ND减光镜头7正前方，激光光源3置于反光镜6的水平入射角方向，透镜2置于激光光源3和反光镜6之间，光散射盘4固定于反光镜6的垂直反射角方向的燃烧油束5底部，完成光源前置消光法碳烟测量系统的布置；

2.调节激光光源3、透镜2、反光镜6的相对位置，将点光源转换为束光源；

3.当燃烧器内温度和压力达到目标值时，主控制器同时触发喷油器和高速摄像机1；从喷油器触发信号发出到喷油器真正开始喷油之间有0.9ms的迟滞，这段时间高速摄像机1已经开始工作，拍摄12张无碳烟生成阶段的图片，取平均值用于计算无碳烟的情况下光散射盘4的散射光强度I_out，并计算得到光散射盘4的反射率α；

4.向燃烧室内喷入燃油后，混合气燃烧生成碳烟，经激光光源3、透镜2和反光镜6生成单色束光源，单色束光源在到达光散射盘4过程中，部分平行单色光经过燃烧室内的碳烟区域9时，碳烟区域9作为平行光吸收层，吸收部分平行光；此时因碳烟区域9对平行单色光的吸收作用，仅部分平行单色光透过碳烟区域9到达光散射盘4，定义此时透过碳烟区域9的光强度为I₁；

5.透过碳烟区域9的单色光经光散射盘4形成反射光，定义反射光强度为I₂；

6.经光散射盘4形成的反射光再次穿过碳烟生成区，经碳烟区域9吸光，定义最终进入高速摄像机1的光强度为I；

7.步骤3计算所得光散射盘4的反射率α、步骤4所定义的透过碳烟区域9的光强度I₁、步骤5所定义的反射光强度I₂、步骤6所定义的最终进入高速摄像机1的光强度I具有如下关系式：

α＝I_out/I_in      (1)

$I_1=I_{\mathrm{in}}\exp (-{\∫}_0^L{K}_{\mathrm{ext}}{d}_x)---\left(2\right)$

I₂＝αI₁      (3)

$I=I_2\exp (-{\∫}_0^L{K}_{\mathrm{ext}}\mathrm{dx})---\left(4\right)$

8.通过步骤7得到的高速摄像机1在不同状态下所测得的光强度，并结合下列公式(5)和公式(6)得到碳烟的体积分数Cv和碳烟质量m_s；

碳烟的体积分数Cv表达式为：

$C_v=\frac{\mathrm{\λ}}{\left(2L\right)K_a(1+a_{\mathrm{sa}})}\mathrm{In}\left(\frac{I_{\mathrm{out}}}{I}\right)---\left(5\right)$

碳烟质量m_s表达式为：

步骤7的关系式(1)、(2)、(3)、(4)和步骤8的公式(5)、(6)中：α为光散射盘4的反射率；I_out为无碳烟的情况下光散射盘4散射光强度；I_in为入射单色光束强度；I₁为穿过碳烟区域9的单色光束强度；K_ext为碳烟生成区的消光系数m^-1；L为碳烟生成区厚度m；I₂为有碳烟的情况下光散射盘4反射光强度；I为最终进入高速摄像机1的光强度；为碳烟生成密度(g/m³)；Δr为256×256像素的碳烟图片中每一个像素区域的边长；λ为单色光波长；Ka为碳烟无量纲消光系数；a_sa为散热吸收率；

完成光源前置消光法碳烟的测量。

本发明的有益效果在于：光源前置消光法不同于传统的需要两个光学检测窗口的光源后置消光法，光源前置消光法只需要一个光学检测窗口和一个光散射盘；且光源和摄像机能布置在碳烟区域的同一侧，拓展了该技术在传统柴油机上的应用；此外，后置消光法的激光光源经过碳烟区域一次后进入采集设备，对于重碳烟工况比较适用，而对于生物柴油、醇类燃料等清洁燃料，或低负荷、低温燃烧等轻碳烟工况，由于碳烟生成质量本身较小，对入射光吸收能力有限，进入采集设备的光强度和入射光差别较小，因此实验误差较大；而光源前置消光法能够有效解决以上问题。

附图说明

图1为光源前置消光法碳烟测量系统的结构示意图

图2为光源前置消光法的原理图

图3为光源前置消光法所测得的低硫柴油燃烧碳烟瞬时分布图

其中：1.高速摄像机  2.透镜  3.激光光源  4.光散射盘  5.燃烧油束  6.反光镜  7.ND减光镜头  8.干涉滤光镜头  9.碳烟区域

具体实施方式

下面结合附图进一步说明一种光源前置的消光法碳烟测量系统的结构及工作原理。

该测量方案由高速摄像机1、ND减光镜头7、干涉滤光镜头8、反光镜6、激光光源3、透镜2及光散射盘4组成；其相对布置位置为：干涉滤光镜头8和ND减光镜头7组成光学窗口并顺序置于高速摄像机1的镜头前端，反光镜6按45°角置于ND减光镜头7正前方，激光光源3置于反光镜6的水平入射角方向，透镜2置于激光光源3和反光镜6之间，光散射盘4固定于反光镜6的垂直反射角方向的燃烧油束5底部。

在碳烟测量过程中，激光经激光光源3发出，经透镜2变为激光光束，再经过倾斜45度放置的反光镜6垂直射入燃烧室内；由于反光镜6半径仅为2.5mm，故可以当作点光源使用，且其位于高速摄像机1镜头下方中轴线上，因此不会阻挡相机成像；

激光经透镜2由点光源拓展为束光源，束光源再经过倾斜45度放置的反光镜6形成垂直于光散射盘4的平行单色光，此单色平行光作为碳烟测量的实验光源，定义此时的光强度为I_in；

当燃烧器内温度和压力达到目标值时，主控制器同时触发喷油器和高速摄像机1；从喷油器触发信号发出到喷油器真正开始喷油之间有0.9ms左右的迟滞，这段时间高速摄像机1已经开始工作，拍摄12张无碳烟生成阶段的图片，取平均值用于计算无碳烟的情况下光散射盘散射光强度I_out；

通过以上所定义的光源强度及光散射盘散射光强度I_out定义光散射盘4的反射率为α；

α＝I_out/I_in

上述反射率α受光散射盘4表面粗糙度和光学检测窗口透光率影响；通过上式计算得到光散射盘4的反射率；

燃烧室内喷入燃油后，混合气燃烧生成碳烟；经激光光源、透镜2及反光镜6生成的单色束光源在到达光散射盘4过程中，部分单色平行单色光经过燃烧室内的碳烟区域9时，碳烟区域9做为平行光吸收层，吸收部分平行光；此时因碳烟区域9对平行单色光的吸收作用，仅部分平行单色光透过碳烟区域9到达光散射盘4，定义此时透过碳烟区域9的光强度为I₁:

$I_1=I_{\mathrm{in}}\exp (-{\∫}_0^L{K}_{\mathrm{ext}}{d}_x)$

K_ext为碳烟生成区的消光系数m^-1，L碳烟生成区厚度m；

透过碳烟区域9的单色平行光再经光散射盘4反射后，光强度为：

I₂＝αI₁；

反射光再次穿过碳烟生成区，经碳烟区域9吸光，最终进入高速摄像机1的光强度为：

$I=I_2\exp (-{\∫}_0^L{K}_{\mathrm{ext}}\mathrm{dx})$

综合上述公式得到入射光和最终进入高速摄像机1的反射光关系：

$I={\mathrm{\αI}}_{\mathrm{in}}\exp (-{\∫}_0^l{K}_{\mathrm{ext}}\mathrm{dx});$

当入射光强度和光散射盘4反射率α确定时，碳烟生成区域是影响反射光强度的唯一因素，其中碳烟生成区的消光系数K_ext与颗粒的密度、大小和光学特性有关。

后处理程序对比无碳烟生成时反射光强度I_out和有碳烟生成时反射光强度I，通过后期图像后处理即可得到碳烟生成量。

Claims (4)

1.一种光源前置消光法碳烟测量系统，其特征在于由高速摄像机(1)、透镜(2)、激光光源(3)、光散射盘(4)、反光镜(6)、ND减光镜头(7)、干涉滤光镜头(8)组成，其中干涉滤光镜头(8)和ND减光镜头(7)顺序置于高速摄像机(1)的镜头前端，反光镜(6)按45°角置于ND减光镜头(7)正前方，激光光源(3)置于反光镜(6)的水平入射角方向，透镜(2)置于激光光源(3)和反光镜(6)之间，光散射盘(4)固定于反光镜(6)的垂直反射角方向的燃烧油束(5)底部。

2.按权利要求1所述的光源前置消光法碳烟测量系统，其特征在于所述的干涉滤光镜头(8)为具有滤除激光中578nm波长的光波、保留510nm波长的光波的单色光滤光镜头。

3.按权利要求1所述的光源前置消光法碳烟测量系统，其特征在于所述的反光镜(6)的直径小于2.5mm。

4.一种光源前置消光法碳烟测量方法，其特征在于包括下列步骤：

4.1将干涉滤光镜头(8)和ND减光镜头(7)顺序置于高速摄像机(1)的镜头前端，反光镜(6)按45°角置于ND减光镜头(7)正前方，激光光源(3)置于反光镜(6)的水平入射角方向，透镜(2)置于激光光源(3)和反光镜(6)之间，光散射盘(4)固定于反光镜(6)的垂直反射角方向的燃烧油束(5)底部，完成光源前置消光法碳烟测量系统的布置；

4.2调节激光光源(3)、透镜(2)、反光镜(6)的相对位置，将点光源转换为束光源；

4.3当燃烧器内温度和压力达到目标值时，主控制器同时触发喷油器和高速摄像机(1)；从喷油器触发信号发出到喷油器真正开始喷油之间有0.9ms的迟滞，这段时间高速摄像机(1)已经开始工作，拍摄12张无碳烟生成阶段的图片，取平均值用于计算无碳烟的情况下光散射盘(4)的散射光强度I_out，并计算得到光散射盘(4)的反射率α；

4.4向燃烧室内喷入燃油后，混合气燃烧生成碳烟，经激光光源(3)、透镜(2)和反光镜(6)生成单色束光源，单色束光源在到达光散射盘(4)过程中，部分平行单色光经过燃烧室内的碳烟区域(9)时，碳烟区域(9)作为平行光吸收层，吸收部分平行光；此时因碳烟区域(9)对平行单色光的吸收作用，仅部分平行单色光透过碳烟区域(9)到达光散射盘(4)，定义此时透过碳烟区域(9)的光强度为I₁；

4.5透过碳烟区域(9)的单色光经光散射盘(4)形成反射光，定义反射光强度为I₂；

4.6经光散射盘(4)形成的反射光再次穿过碳烟生成区，经碳烟区域(9)吸光，定义最终进入高速摄像机(1)的光强度为I；

4.7步骤4.3计算所得光散射盘(4)的反射率α、步骤4.4所定义的透过碳烟区域(9)的光强度I₁、步骤4.5所定义的反射光强度I₂、步骤4.6所定义的最终进入高速摄像机(1)的光强度I具有如下关系式：

α＝I_out/I_in        (1)

$I_1=I_{\mathrm{in}}\exp (-{\∫}_0^L{K}_{\mathrm{ext}}{d}_x)---\left(2\right)$

I₂＝αI₁                (3)

$I=I_2\exp (-{\∫}_0^L{K}_{\mathrm{ext}}\mathrm{dx})---\left(4\right)$

4.8通过步骤4.7得到的高速摄像机(1)在不同状态下所测得的光强度，并结合下列公式(5)和公式(6)得到碳烟的体积分数Cv和碳烟质量m_s；

碳烟的体积分数Cv表达式为：

$C_v=\frac{\mathrm{\λ}}{\left(2L\right)K_a(1+a_{\mathrm{sa}})}\mathrm{In}\left(\frac{I_{\mathrm{out}}}{I}\right)---\left(5\right)$

碳烟质量m_s表达式为：

步骤4.7的关系式(1)、(2)、(3)、(4)和步骤4.8的公式(5)、(6)中：α为光散射盘(4)的反射率；I_out为无碳烟的情况下光散射盘(4)散射光强度；I_in为入射单色光束强度；I₁为穿过碳烟区域(9)的单色光束强度；K_ext为碳烟生成区的消光系数(m^-1)；L为碳烟生成区厚度(m)；I₂为有碳烟的情况下光散射盘(4)反射光强度；I为最终进入高速摄像机(1)的光强度；为碳烟生成密度(g/m³)；Δr为256×256像素的碳烟图片中每一个像素区域的边长；λ为单色光波长；Ka为碳烟无量纲消光系数；a_sa为散热吸收率；

完成光源前置消光法碳烟的测量。